WO1999002995A1 - Bimorph piezoelectric device for acceleration sensor and method of its manufacture - Google Patents

Bimorph piezoelectric device for acceleration sensor and method of its manufacture Download PDF

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WO1999002995A1
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acceleration sensor
piezoelectric element
grinding
type piezoelectric
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Kazunari Nishihara
Kiyotomo Kubota
Hirohumi Tajika
Koji Nomura
Tetsuro Shimamura
Yukinori Sasaki
Masako Yamaguchi
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • H10N30/302—Sensors

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric pimorph type acceleration sensor used for detecting vibration of various machines such as a hard disk and a CD-ROM, and more particularly to a piezoelectric element for an acceleration sensor and a method of manufacturing the same. . Background art
  • HDDs hard disk storage devices
  • various methods have been put into practical use as a method for detecting impact as acceleration, but a small and thin surface mount type is required to be incorporated in an HDD.
  • Accelerometers using piezoelectric ceramics are widely used to satisfy these requirements.
  • a piezoelectric ceramic can be used as an acceleration sensor only because the force F proportional to the acceleration (impact) ⁇ causes distortion in the piezoelectric ceramic, and the distortion is converted to electric charge (voltage). Because it can be taken out. This can be expressed by the following equation.
  • FIG. 12 shows an example of the structure of an acceleration sensor using such a piezoelectric ceramic.
  • FIG. 12 (a) shows a cantilever-structured pie-morph acceleration sensor
  • FIG. 12 (b) shows a pie-morph-type acceleration sensor having a cantilever structure.
  • Fig. 13 shows the method of manufacturing the pie morph type acceleration sensor with the cantilever structure of Fig. 12 (a)
  • Fig. 14 shows the cantilever structure of Fig. 12 (b). 1 shows a method for manufacturing a piemorph acceleration sensor.
  • la to Id are piezoelectric ceramics
  • 2a to 2d are electrodes formed on piezoelectric ceramics
  • h and 7j are Pimorph type piezoelectric elements
  • 3a and 3c denote an adhesive for bonding the piemorph-type piezoelectric ceramic
  • 4a, 4c, and 4d denote supports for supporting and fixing the piemorph-type piezoelectric element.
  • the L1 part of the piemorph type piezoelectric element 7h that is not fixed to the support 4a becomes the free vibration part for acceleration detection, and depends on the acceleration.
  • the free vibrating part is distorted, and the charge generated in the bimorph-type piezoelectric element 7h due to the distortion is detected as acceleration.
  • the double-supported beam structure shown in FIG. 12 (b) has the acceleration L2 portion of the piemorph type piezoelectric element 7j which is not fixed to the supports 4c and 4d. It is a free vibration part for detection.
  • the method of manufacturing these acceleration sensors is a pie morph formed by laminating a pair of piezoelectric ceramics la to Id whose polarization method has been reversed with an adhesive or a green sheet and integrally firing them.
  • the piezoelectric elements 7h and 7j are bonded and fixed to supports 4a, 4c and 4d with adhesives 3a, 3c and 3d in a cantilevered or cantilevered structure.
  • the conventional method of bonding and fixing the piezoelectric element to the support has the problem that the fixed state is not constant because the dimensions of the free vibration portion vary, and the sensitivity to acceleration varies.
  • the charge (voltage) Q (V) generated in a bimorph-type piezoelectric element having a free vibration part of length L is expressed as follows.
  • k 3 is a proportionality constant.
  • the sensor sensitivity is proportional to the square of the length L of the free vibrating section according to Eq. (3).
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a small-sized, high-sensitivity, low-sensitivity pimorph-type piezoelectric element for an acceleration sensor, which has small dimensional variation of a free vibration portion, and a method of manufacturing the same. I do.
  • a piemorph type piezoelectric element for an acceleration sensor and a method for manufacturing the same provide an acceleration sensor comprising a pair of piezoelectric single crystal plates having different polarization directions, which are joined face to face by direct joining.
  • a bimorph-type piezoelectric element for surveillance comprising: a free vibrating part provided by grinding at least a part of at least one of the pair of piezoelectric single crystal plates; and one or both sides of the free vibrating part. And a support comprising a non-ground portion provided. JP98 / 03101
  • FIG. 1 (a) is a cross-sectional view of a pie morph type piezoelectric element for an acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention
  • (b) is a perspective view of the same
  • FIG. 2 (a) is a second embodiment of the present invention.
  • (b) is a perspective view thereof
  • FIG. 3 is a method for manufacturing a pie morph type piezoelectric element for an acceleration sensor in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective process drawing
  • FIG. 5 is a cross-sectional process drawing
  • FIG. 6 shows a method of manufacturing a pie morph type piezoelectric element for an acceleration sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective process drawing
  • FIG. 8 is a cross-sectional process drawing
  • FIG. 9 is a perspective view showing a method for manufacturing a piemorph type piezoelectric element for an acceleration sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
  • Fig. 10 is a perspective process drawing
  • Fig. 11 is a sectional process drawing
  • Fig. 12 (a) is a conventional acceleration sensor.
  • FIG. 13 is a conventional method for an acceleration sensor.
  • Sectional process drawing showing an example of a method for manufacturing a pie morph type piezoelectric element (cantilever structure).
  • Fig. 14 shows a conventional method for manufacturing a pie morph type piezoelectric element for an acceleration sensor (both cantilever structure).
  • FIG. 2 is a cross-sectional process diagram showing an example of the present invention.
  • FIG. 1 A piemorph type piezoelectric element for an acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
  • (a) is a cross-sectional view of a piemorph type piezoelectric element for an acceleration sensor having a cantilever structure
  • (b) is a perspective view thereof.
  • 32a indicates a free vibrating portion formed by grinding and serving as a sensor portion for detecting acceleration
  • 33a indicates a non-grinding portion when the free vibrating portion is formed as a support at the same time. It is formed integrally with the free vibration part 32a.
  • the free vibrating section 32a had a thickness of 0.1 ram, a length L3 of 2 faces, a width of 0.5 ridge, and a thickness of the support 33a of 0.4.
  • Free vibration portion 3 2 a includes two L i N b 0 3 (niobium Sanli Ji U beam, hereinafter referred to as a LN) to the intervention of the adhesives with positive polarization faces the opposing major surface of the single crystal plate Are directly joined together.
  • the joining surface where the polarization direction is reversed is indicated by the dotted line A in the figure.
  • the two sheets directly joined at this polarization inversion interface A The thickness of the LN single crystal plate is ground to be equal to each other at 0.05 ram and 0.05 ram.
  • the detection sensitivity S of the sensor is
  • the piezoelectric constant d and the dielectric constant ⁇ are anisotropic in the L ⁇ single crystal plate, and differ depending on the cut surface, so that is maximized 120. Up to 150 ° rotation Y plate is obtained in advance by simulation to achieve high sensitivity. Furthermore, by joining the electrodes in the opposite polarization direction, the generation of charge in the free vibrating part 32a due to the rise in temperature is eliminated, and temperature characteristics with good sensor sensitivity are realized. I have.
  • 31a and 31b are electrodes for extracting electric charge generated during acceleration detection.
  • the electrode material is C, considering the adhesion to the underlying LN single crystal plate and the stability of the electrode film. r / A u or T i / A u are desirable.
  • a step for forming a cantilever structure is formed integrally with the free vibrating section without using an adhesive or the like, and an LN single crystal is used to maximize the piezoelectric constant d and the electromechanical coupling coefficient k.
  • Example 2 A piemorph type piezoelectric element for an acceleration sensor according to a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
  • Fig. 2 (a> is a cross-sectional view of a pie-morph piezoelectric element for a double-ended beam acceleration sensor, and (b) is a perspective view of the piezoelectric element.
  • 32b is an acceleration sensor formed by grinding.
  • 33b and 33c are non-grinding parts that are formed simultaneously with the support when forming the free vibrating part.
  • the free vibrating part 32b The thickness of the free vibrating section 32b was 0.1 mm, the length L4 was 2 ram, the width was 0.5 ram, and the thickness of the supports 33b and 33c was 0.4 ram.
  • the vibrating part 32b is joined by direct joining without using an adhesive, with the positively polarized surfaces of the two LN single crystal plates as opposing main surfaces.
  • the joining surface where the polarization direction is reversed is indicated by the dotted line B in the figure.
  • the two LN single crystal plates that were directly joined to each other with the domain-inverted interface B as the boundary were ground so that the thicknesses were 0.05 mm and 0.05 mm and were equal to each other.
  • the detection sensitivity S of the sensor is
  • the piezoelectric constant d and the dielectric constant £ are anisotropic in the LN single crystal plate and differ depending on the cut surface.Therefore, we simulate a Y-plate rotated from 120 ° to 150 ° to maximize d / ⁇ . High sensitivity is obtained in advance by using a high sensitivity. In addition, by joining the electrodes in the reverse polarization direction, the generation of electric charges in the free vibrating section 32b due to temperature rise is eliminated, and the sensor sensitivity is improved. Realizes temperature characteristics.
  • 31 c and 31 d are electrodes for extracting electric charges generated at the time of detecting the acceleration, and C r is used as an electrode material in consideration of the adhesion to the underlying LN single crystal plate and the stability of the electrode film. // A u or T i ZA u is desirable.
  • a step for forming the cantilever structure is formed integrally with the free vibration portion 32b without the use of an adhesive or the like, and the LN unit is designed to maximize the piezoelectric constant d and the electromechanical coupling coefficient k.
  • FIGS. 3 and 4 are perspective views of the manufacturing process
  • FIG. 5 is a cross-sectional view thereof.
  • 6e and 6f indicate the polarization directions of the LN single crystal plate and the polarization directions of the LN single crystal plates 5a and 5b.
  • the dotted line in the figure shows the domain-inverted interface A of two LN single crystal plates directly joined with their polarization directions reversed.
  • 7c is a free vibration part (grinding part)
  • 8c is a support (non-grinding part).
  • Reference numeral 9 denotes electrodes formed on the main surfaces of two directly bonded LN single crystal plates, 17a to 17f, / JP98031
  • the method of manufacturing the pie morph type piezoelectric element for an acceleration sensor according to the present embodiment is as follows. First, the surfaces of two LN single crystal plates 6 e and 6 f are cleaned, bonded, and directly joined by heating. (Steps a and b). The thickness of the LN single crystal plate is determined in consideration of the final shape. Here, as an example, an LN single crystal plate having a thickness of 0.35 leakage and 0.35 thickness is directly joined. Cleaning and bonding should be performed in a clean room so that dust is not mixed into the main surfaces facing directly. The opposing principal surfaces of the LN single crystal plate directly joined are positively polarized. The detection sensitivity S of the sensor is
  • the piezoelectric constant d and the dielectric constant ⁇ of an LN single crystal plate have anisotropy and differ depending on the cut surface. Therefore, 120 ° to 150 is set so that dZe is maximized.
  • the rotating plate is determined in advance by simulation to achieve high sensitivity. Furthermore, by joining the positively polarized surfaces as opposing main surfaces, the generation of electric charges at the time of temperature rise is eliminated, and a good temperature characteristic of sensor sensitivity can be obtained. In addition, by joining within ⁇ 1 ° of the X-axis or ⁇ -axis during joining, the joining strength can be improved and the shock resistance of the acceleration sensor can be improved.
  • the heating temperature after bonding was set to 275 ° C or higher, which caused the failure mode to cause Haparque failure instead of the joint interface.
  • the upper limit of heating it is possible to reach the vicinity of 1150, which is the one-point temperature of the LN cell. Further, the apparatus cost can be reduced by heating in a vacuum or in the atmosphere. After heating, the pair of bonded LN single crystal plates 6e and 6f are completely integrated, but the domain-inverted interface A, which is the bonding surface, is indicated by a dotted line in the figure.
  • Step c one side of the directly bonded LN single crystal plate is lap-processed or surface-ground, etc., so that the thickness t1 to the domain-inverted interface becomes 0.3 mm so that the thickness t1 becomes 0.05 ⁇ . Yes (Step c). At this time, if an LN single crystal plate having a thickness of 0.05 mm is used at the time of direct bonding, this step can be omitted.
  • the other surface is ground using a whetstone 12 c with a thickness of W 1, and a support that serves as a cantilever support consisting of a free vibrating part 7 c that is a part of the sensor and a non-ground part 8c is formed integrally and simultaneously (d step).
  • At least one whetstone 1 2 c is used for grinding, and the width W 1 of the whetstone and the width W 2 of the spacer for fixing the whetstone take into account the length of the free vibration part 7 and the length of the support 8 c To decide.
  • W1 is 2 orchids
  • W2 is 0.5 strokes
  • the length of the free vibrating portion ⁇ c is 2 strokes
  • the length of the support 8c is 0.5 strokes.
  • the grinding amount is set at 0.3 mm from the surface, and the thickness of the free vibrating section 7c is set at 0.1 ram. Grind so that the thickness is the same as t 2 and t 3 is equal to 0.05. High sensitivity was achieved by making the thicknesses of t 2 and t 3 the same.
  • electrodes 9 for charge detection are formed on the front and back surfaces of the ground LN single crystal plate (step e). At this time, the electrode 9 is formed by vapor deposition or electroless plating, and Cr Au or TiZAu is preferable as an electrode material in consideration of the adhesion strength to the LN single crystal plate.
  • a dicing or slicer is used to cut into matrices such as 1 ⁇ a to 17 f and 16 a to 16 p.
  • a piemorph type piezoelectric element for a sensor is formed (step f). At least one or more cutting blades are used for cutting, and the spacing of the matrix at the time of cutting is determined in consideration of the sensor shape.
  • the interval between 17a to 17f is 2.5 flats
  • the interval between 16a to 16p is 0.5 recitation, so that the length is 2.5 awake
  • the width is 0.5 strokes
  • the present invention achieves a much higher accuracy of ⁇ 3%.
  • the number of steps required for forming the support was 5 minutes and the number of Z pieces was 5 minutes. According to the present invention, it is possible to provide a method of manufacturing a piemorph type piezoelectric element for an acceleration sensor having a cantilever structure with small sensitivity variation and low cost.
  • FIGS. 6 and 7 are perspective views of the manufacturing process
  • FIG. 8 is a cross-sectional view thereof.
  • 6c and 6d indicate the LN single crystal plates
  • 5a and 5b indicate the polarization directions of the respective LN single crystal plates.
  • the dotted lines in the figure indicate two LN single crystal plates directly joined with their polarization directions reversed.
  • FIG. 3 shows the domain-inverted interface B of FIG. 7b is a free vibration part (grinding part), and 8b is a support (non-grinding part).
  • Reference numeral 12b denotes a grindstone used for grinding, and 13b denotes a spacer for fixing the grindstone 12b at a predetermined interval.
  • Reference numeral 9 denotes electrodes formed on the main surfaces of two LN single crystal plates directly joined, and 14a to 14c and 15a to 15k indicate cutting directions.
  • the method of manufacturing the pie morph type piezoelectric element for an acceleration sensor according to the present embodiment is as follows. First, the surfaces of two LN single crystal plates 6 c and 6 d are washed, bonded and heated. Direct bonding (ab process). The thickness of the LN single crystal plate is determined in consideration of the final shape. Here, as an example, an LN single crystal plate having a thickness of 0.35 mm and a thickness of 0.35 mm is directly joined. Cleaning and lamination should be performed in a clean room so that dust is not mixed into the main surfaces that are directly joined. The opposing principal surfaces of the LN single crystal plate directly joined are positively polarized surfaces. The detection sensitivity S of the sensor is
  • the piezoelectric constant d and the dielectric constant ⁇ are anisotropic in the LN single crystal plate and differ depending on the cut surface.Therefore, the rotation Y plate is rotated from 120 ° to 150 ° so that dZe is maximized. High sensitivity has been achieved by simulation, which is obtained in advance. Furthermore, by joining the positively polarized surfaces as opposing main surfaces, the generation of electric charges at the time of temperature rise is eliminated, and temperature characteristics with good sensor sensitivity can be obtained. Also, at the time of joining, By joining with a deviation of ⁇ 1 ° or less, the joining strength can be improved and the shock resistance of the acceleration sensor can be improved.
  • the heating temperature after bonding was set to 275 ° C or higher, where the failure mode was not the joint interface but caused bulk failure.
  • the upper limit of heating it is possible to reach around 150 ° C, which is the one-point temperature of the LN cell. Further, the apparatus cost can be reduced by heating in a vacuum or in the atmosphere. After heating, the pair of bonded LN single crystal plates 6c and 6d are completely integrated, but the domain-inverted interface B, which is the bonding surface, is indicated by a dotted line in the figure.
  • Step c one side of the directly bonded LN single crystal plate is processed by lapping or surface grinding, etc., so that the thickness t1 up to the domain-inverted interface becomes 0.05 nun.
  • the other surface is ground using a whetstone 12b with a thickness of W1, and a free vibrating part 7b serving as a sensor part and a support body 8 serving as a support part for a cantilever beam consisting of a non-ground part are provided.
  • b is formed integrally and simultaneously (d step).
  • At least one grinding wheel 1 2 b is used for grinding, and the width W 1 of the grinding wheel and the width W 2 of the spacer for fixing the grinding wheel take into account the length of the free vibration part 7 b and the length of the support 8 b To decide.
  • W1 was 2 ram
  • W2 was 0.5 orchid
  • the length of the free vibration part 7b was 2 thighs
  • the length of the support 8b was 0.5 orchid.
  • the grinding amount is 0.3 mm from the surface, and the thickness of the free vibrating part 7 b is 0.1 mm, so that the thickness t 2 of the LN single crystal plate directly joined at the domain-inverted interface B , T3 are ground so that they are the same as each other. You. High sensitivity was achieved by making the thicknesses t2 and t3 the same.
  • electrodes 9 for charge detection are formed on the front and back surfaces of the ground LN single crystal plate (step e).
  • the electrode 9 is formed by vapor deposition or electroless plating, and as the electrode material, Cr / Au or Ti / "Au is desirable in consideration of the adhesion strength to the LN single crystal plate.
  • it is cut into a matrix such as 14a to 14c and 15a to 15k by dicing or a slicer, and a doubly supported beam structure having a support 8b and a free vibrating section 7b is cut.
  • Step f At least one or more cutting blades are used at the time of cutting, and the spacing of the matrix at the time of cutting is determined in consideration of the shape of the sensor.
  • the interval between 14a to 14c0 is 2.5 strokes and the interval between 15a to 15k to be 0.5 ⁇
  • the length is 2.5 mm
  • the width is 0.5 ⁇
  • the thickness is 0.4 strokes
  • the pie morph type piezoelectric element for an acceleration sensor of ultra-small size is realized.
  • the precision of the grinding wheel 12b using the length of the free vibration part 7b and the machine for grinding and cutting was ⁇ 20%, whereas the present invention significantly improved the accuracy to ⁇ 3%.
  • the time required for forming the support was 5 minutes / piece, and the bonding time of the present invention is 0.01 minutes / piece (only in the grinding step with a single whetstone), which is significantly increased to 150 times. According to the present invention, it is possible to provide a method of manufacturing a piemorph type piezoelectric element for an acceleration sensor having a low-cost doubly supported beam structure with small sensitivity variation and low cost.
  • Example 5 A method for manufacturing a piemorph type piezoelectric element for an acceleration sensor according to a fifth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 9 to 11.
  • 9 and 10 are perspective views of the manufacturing process, and FIG. 11 is a sectional view thereof.
  • 6a and 6b indicate LN single crystal plates, and 5a and 5b indicate polarization directions of the respective LN single crystal plates.
  • the dotted line in the figure shows the domain-inverted interface C of two LN single crystal plates directly joined with their polarization directions reversed.
  • 7a is a free vibration part (grinding part)
  • 8a is a support (non-grinding part).
  • Reference numeral 12a denotes a grindstone used for grinding, and 13a denotes a spacer for fixing the grindstone 12a at a predetermined interval.
  • Reference numeral 9 denotes an electrode formed on the main surface of two LN single crystal plates directly joined, and 10a ⁇ : LOf and 11a ⁇ : Llk indicate the cutting direction.
  • the surfaces of the two LN single crystal plates 6a and 6b are cleaned, bonded to each other by heating and bonding.
  • the thickness of the LN single crystal plate is determined in consideration of the final shape.
  • an LN single crystal plate having a thickness of 0.35 ⁇ and 0.35 strokes is directly joined. Cleaning and lamination should be performed in a clean room so that dust is not mixed into the directly joined opposing main surfaces.
  • the opposite principal surfaces of the LN single crystal plates 6a and 6b to be directly joined are positively polarized surfaces.
  • the detection sensitivity S of the sensor is
  • the piezoelectric constant d and the dielectric constant ⁇ are anisotropic in the LN single crystal plate, and differ depending on the cut surface. Therefore, 120 is set so that is maximized. Up to 150 ° rotation Y plate is obtained in advance by simulation to achieve high sensitivity. Furthermore, by joining the positively polarized surfaces as opposing main surfaces, the generation of electric charges at the time of temperature rise is eliminated, and temperature characteristics with good sensor sensitivity can be obtained. Furthermore, by joining within ⁇ 1 ° of the X axis or z axis during joining, the joining strength can be improved, and the impact resistance of the acceleration sensor can be improved.
  • the heating temperature after bonding was set to 275 ° C or higher, where the mode of failure was not at the joint interface but at the point of puncture.
  • the upper limit of the heating it is possible to reach a temperature around 115 ° C., which is the one-point temperature of the LN battery.
  • the cost of the apparatus can be reduced.
  • the pair of bonded LN single crystal plates 6a and 6b are completely integrated, but the domain-inverted interface C, which is the bonding surface, is indicated by a dotted line in the figure.
  • Step c one side of the directly bonded LN single crystal plate is processed by lapping or surface grinding to a thickness of 0.3 mm so that the thickness t1 up to the domain inversion interface is 0.05.
  • the other surface is ground using a whetstone 12a with a thickness of W1, and a support that serves as a support for the cantilever beam consisting of the free vibration part 7a, which is a part of the sensor, and a non-ground part 8a is integrally and simultaneously formed (d step).
  • the width W 1 of the grindstone and the width W 2 of the spacer for fixing the grindstone are determined in consideration of the length of the free vibrating portion 7 a and the length of the support 8 a.
  • W1 was 4.0 strokes
  • W2 was 1.0 recitation
  • the length of the free vibrating section 7a was 4.0
  • the length of the support 8a was 1.0 mm.
  • the grinding amount is set to 0.3 mm from the surface
  • the thickness of the free vibrating portion 7a is set to 0.1, so that the thickness of the LN single crystal plate directly joined with the domain-inverted interface C as a boundary Grind t 2 and t 3 so that they are the same as 0.05 ⁇ .
  • High sensitivity was achieved by making the thicknesses t2 and t3 the same.
  • electrodes 9 for charge detection are formed on the front and back surfaces of the ground LN single crystal plate (step e).
  • the electrode 9 is formed by vapor deposition or electroless plating, and the electrode material is preferably CrZAu or TiAu in consideration of the adhesion strength to the LN single crystal plate.
  • a piemorph type piezoelectric element for a cantilevered acceleration sensor is formed (step (1)). At least one or more blades are used for cutting, and the spacing between rows and columns is determined in consideration of the shape of the sensor.
  • the interval between 10a to 10f is 2.5 min and the interval between 11a to Ilk to be 0.5 ram, the length is 2.5 cm, the width is 0.5 mm, We have realized a 0.4 mm thick ultra-small piemorph-type piezoelectric element for acceleration sensors.
  • the present invention relates to a piemorph type piezoelectric element for an acceleration sensor in which a pair of piezoelectric single crystal plates are face-to-face bonded by direct bonding, and at least one of the pair of piezoelectric single crystal plates is provided.
  • a free vibrating portion provided by grinding a part of the piezoelectric vibrating portion, and a support comprising a non-grinding portion integrally provided on one or both sides of the free vibrating portion.
  • This is a manufacturing method having a fourth step of forming a support by using the above method. This provides a small-sized, high-sensitivity, low-variation sensitivity, low-cost, pyromorph-type piezoelectric element for an acceleration sensor, and a method for manufacturing the same. It is possible to do.

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Description

CT 9 101
1
明 細 書 加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子とその製造方法 技術分野
本発明は、 ハー ドディ スクや C D— R 0 M等の各種機械の振 動検出に用いられる圧電パイ モルフ型加速度セ ンサ一に関し、 特に加速度セ ンサ—用圧電素子とその製造方法に関する もので ある。 背景技術
携帯型パーソ ナルコ ン ピュータの普及が進むに伴い、 これに 使用されるハー ドディ スク記憶装置 （以降 H D Dと呼ぶ） の耐 衝撃性が重要視されるようになってきている。 これまでに衝撃 を加速度と して検出する方法と して種々の方式のものが実用化 されているが、 H D Dに内蔵するためには小型 · 薄型の表面実 装型が要求される。 これらの要求を満たすものと して圧電セラ ミ ッ クを用いた加速度センサ一が広く使用されている。 圧電セ ラ ミ ッ クが加速度セ ンサーと して使用できるのは、 加速度 （衝 撃） αに比例する力 Fにより圧電セ ラ ミ ッ ク に歪みが生じ、 そ の歪みを電荷 （電圧） と して取り出せるからである。 これを数 式で表せば以下のようになる。
F = k 1 X (1)
Q ( V ) = k 2 x F (2>
ここで、 k 1および k 2は比例定数である。 このよ う な圧電セ ラ ミ ッ ク を用いた加速度セ ンサ一の構造例 を第 1 2図に示す。 第 1 2図 (a)は片持ち梁構造のパイ モルフ型 加速度セ ンサ一であり、 第 1 2図 (b)は両持ち梁構造のパイ モル フ型加速度センサーを示している。 第 1 3図は第 1 2図 (a)の片 持ち梁構造のパイ モルフ型加速度セ ンサ一の製造方法を示して おり、 第 1 4図は第 1 2図 (b)の両持ち梁構造のパイモルフ型加 速度センサ一の製造方法を示している。
図において、 l a〜 I dは圧電セラ ミ ッ ク、 2 a ~ 2 dは圧 電セ ラ ミ ッ ク上に形成した電極、 了 h， 7 j はパイモルフ型圧 電素子、 3 a， 3 c , 3 dはパイ モルフ型圧電セ ラ ミ ッ クを接 着する接着剤、 4 a， 4 c， 4 dはパイモルフ型圧電素子を支 持、 固定する支持体をそれぞれ示している。 第 1 2図 (a)の片持 ち梁構造では、 支持体 4 aに固定されていないパイモルフ型圧 電素子 7 hの L 1部が加速度検出用の自由振動部となり、 加速 度に応じて自由振動部が歪み、 歪みによってバイ モルフ型圧電 素子 7 h内に生じる電荷を加速度と して検出する。 第 1 2図 (b) の両持ち梁構造も第 1 2図 (a)と同様に、 支持体 4 c , 4 dに固 定されていないパイ モルフ型圧電素子 7 j の L 2部が加速度検 出用の自由振動部となる。
なお、 これらの加速度セ ンサーの製造方法は、 分極方法を反 転させた一対の圧電セラ ミ ッ ク l a〜 I dを接着剤あるいはグ リー ン シー トで積層、 一体焼成して形成したパイ モルフ型圧電 素子 7 h， 7 j を、 支持体 4 a , 4 c , 4 d に接着剤 3 a， 3 c , 3 dにより片持ちあるいは両持ち梁の構造になるように 接着固定している。 しかしながら、 従来の支持体に圧電素子を接着固定する方法 は、 自由振動部の寸法がばらつく ために、 固定状態が一定でな く なり、 加速度に対する感度がばらつ く とい う問題点があつ た。 加速度ながかかった時、 長さ Lの自由振動部をもつバイモ ルフ型圧電素子に発生する電荷 （電圧） Q ( V ) は以下のよう に表される。
Q ( V ) = k 3 X L 2 X α (3)
ここで、 k 3は比例定数である。
発生電荷はセ ンサーの感度となるので、 セ ンサー感度は式 (3) より 自由振動部の長さ Lの 2乗に比例する ことになる。
また、 製造方法と して一つ一つの圧電素子を支持体に接着し なければならないため、 低コス ト化の妨げとなっていた。 発明の開示
本発明は上記課題を解決する ものであり、 自由振動部の寸法 ばらつきが少なく 、 小型で高感度で感度ばらつきの少ない加速 度セ ンサー用パイモルフ型圧電素子とその製造方法を提供する ことを目的とする。
上記目的を達成するために、 本発明の加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子とその製造方法は、 分極方向の異なる一対の 圧電単結晶板を直接接合によ り対面接合してなる加速度セ ン サ—用バイモルフ型圧電素子であつて、 前記一対の圧電単結晶 板の少な く と も一方の一部を研削して設けられた自由振動部 と、 前記自由振動部の片側または両側に一体に設けられた非研 削部よりなる支持体とを有することを特徵とする構成であり、 JP98/03101
4
また前記一対の圧電単結晶板を対面接合し加熱するこ と によ り 直接接合する第一の工程と、 直接接合された前記一対の圧電単 結晶板の少なく と も一方を行あるいは列に所定の間隔及び深さ に研削して自由振動部を形成する第二の工程と、 研削された前 記圧電単結晶板の主表面に電極を形成する第三の工程と、 研削 により形成された前記圧電単結晶板の自由振動部および非研削 部を所定の間隔に行列に切断することにより支持体を形成する 第四の工程からなることを特徴とする製造方法である。
この発明により、 小型 · 高感度の加速度セ ンサ一用バイモル フ型圧電素子と感度ばらつきが少な く 低コ ス 卜 な加速度セ ン サー用パイモルフ型圧電素子を提供する こ とができる。 図面の簡単な説明
第 1図 (a)は本発明の第 1の実施例における加速度セ ンサ—用 パイ モルフ型圧電素子の断面図、 （b)は同斜視図、 第 2図 (a)は本 発明の第 2 の実施例における加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧 電素子の断面図、 （b)は同斜視図、 第 3図は本発明の第 3の実施 例における加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子製造方法を 示す斜視工程図、 第 4図は同斜視工程図、 第 5図は同断面工程 図、 第 6図は本発明の第 4の実施例における加速度セ ンサー用 パイ モルフ型圧電素子製造方法を示す斜視工程図、 第 7図は同 斜視工程図、 第 8図は同断面工程図、 第 9図は本発明の第 5の 実施例における加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子製造方 法を示す斜視工程図、 第 1 0図は同斜視工程図、 第 1 1図は同 断面工程図、 第 1 2図 (a)は従来の加速度セ ンサー用パイ モルフ 1
5
型圧電素子 （片持ち梁構造） の断面図、 （b)は従来構造の加速度 セ ンサー用バイモルフ型圧電素子 （両持ち梁構造） の断面図、 第 1 3図は従来工法による加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電 素子 （片持ち梁構造） の製造方法の一例を示す断面工程図、 第 1 4図は従来工法による加速度セ ンサ一用パイ モルフ型圧電素 子 （両持ち梁構造） の製造方法の一例を示す断面工程図であ o 発明を実施するための最良の形態
(実施例 1 )
本発明の第 1の実施例における加速度セ ンサー用パイ モルフ 型圧電素子を第 1図を用いて詳細に説明する。 第 1図におい て、 （a)は片持ち梁構造の加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素 子の断面図を、 （b)はその斜視図を示している。 3 2 aは研削に より形成した加速度検出用のセ ンサー部となる自由振動部を示 しており、 3 3 aは自由振動部を形成すると きの非研削部を支 持体と して同時形成したものであり、 自由振動部 32 a と一体 となっている。 自由振動部 3 2 aの厚みは 0. 1 ram、 長さ L 3 は 2顏、 幅は 0. 5讓、 支持体 3 3 aの厚みは 0. 4調と した。 自由振動部 3 2 aは、 2枚の L i N b 03 (ニオブ酸リ チ ウ ム、 以降 L Nと呼ぶ） 単結晶板の正分極面同士を対向主面と して接 着剤を介さず直接接合により接合されている。
直接接合により 2枚の L N単結晶板は完全に一体化されてい るが、 分極方向が反転する接合面を図中では点線 Aで表示して いる。 こ の分極反転界面 Aを境に して直接接合された 2枚の L N単結晶板の厚みは 0. 0 5醒と 0. 0 5 ramで互いに等しく な るよ う に研削されている。 セ ンサの検出感度 S は、
S °"： > d / e * p * L l * a
d ： 圧電定数 ε ： 誘電率 ρ ： 質量密度
L 1 ： 自由振動部長さ β ： 定数
で表される。 圧電定数 d と誘電率 εは L Ν単結晶板では異方性 を有し、 切り出し面により異なる、 そのため、 が最大と なるよ う に 120。 〜 1 50° 回転 Y板をシ ミ ュ レー シ ョ ンに より予め求めて高感度な検出感度を実現している。 さ らに、 分 極方向を逆にして接合する こ とにより温度上昇にと もなう自由 振動部 3 2 a内の電荷の発生を解消し、 セ ンサー感度の良好な 温度特性を実現している。
3 1 a , 3 1 bは加速度検出時に発生する電荷を取り出すた めの電極であり、 電極材料と して、 下地の L N単結晶板との密 着力および電極膜の安定性を考慮し、 C r /A u、 あるいは T i /A u等が望ま しい。 加速度がかかったとき、 支持体 33 a を固定するこ と によ り 自由振動部 3 2 aに歪みが生じ、 その歪 みに比例した電荷を電極 3 1 a , 3 1 bを介して取り出し、 加 速度を検出する。 接着剤等を介さず、 片持ち梁構造を形成する ための段差を自由振動部と一体で形成したこ と、 また、 圧電定 数 dおよび電気機械結合係数 kが最大になるように L N単結晶 板の切り出し面を選択することにより、 セ ラ ミ ッ ク圧電素子を 用いた加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子感度の 2〜 3倍 の emVZGの高感度を得る こ とができた。
(実施例 2) 本発明の第 2の実施例における加速度センサー用パイモルフ型 圧電素子を第 2図を用いて詳細に説明する。 第 2図において、 (a>は両持ち梁構造の加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子の 断面図を、 （b)はその斜視図を示している。 32 bは研削により 形成した加速度検出用のセンサ一部となる自由振動部を示してお り、 33 b， 33 cは自由振動部を形成すると きの非研削部を 支持体と して同時形成したものであり、 自由振動部 32 bと一体 となっている。 自由振動部 32 bの厚みは 0. 1删、 長さ L 4は 2 ram. 幅は 0.5 ram、 支持体 33 b， 33 cの厚みは 0.4 ramと し た。 自由振動部 32 bは、 2枚の LN単結晶板の正分極面同士を 対向主面と して接着剤を介さず直接接合により接合されている。
直接接合により 2枚の L N単結晶板は完全に一体化されてい るが、 分極方向が反転する接合面を図中では点線 Bで表示して いる。 この分極反転界面 Bを境にして直接接合された 2枚の L N 単結晶板の厚みは 0.05麵と 0.05 mmで互いに等し く なるよ う に研削されている。 セ ンサの検出感度 Sは、
S oc > d/ £ * p * L l * a
d ： 圧電定数 ε ： 誘電率 Ρ ： 質量密度
L 1 ： 自由振動部長さ β ： 定数
で表される。 圧電定数 dと誘電率 £ は L N単結晶板では異方性 を有し、 切り出し面により異なる、 そのため、 d/εが最大と なるように 1 20° 〜 1 50° 回転 Y板をシ ミ ュ レー シ ョ ンに より予め求めて高感度な検出感度を実現している。 さ らに、 分 極方向を逆にして接合することにより温度上昇にと もなう自由 振動部 32 b内の電荷の発生を解消し、 セ ンサー感度の良好な 温度特性を実現している。
31 c , 31 dは加速度検出時に発生する電荷を取り出すた めの電極であ り、 電極材料と して、 下地の L N単結晶板との 密着力および電極膜の安定性を考慮し、 C r//A u、 あるいは T i Z A u等が望ま しい。 加速度がかかっ たと き、 支持体 33 b, 33 cを固定する ことにより 自由振動部 32 bに歪み が生じ、 その歪みに比例した電荷を電極 3 1 c, 31 dを介し て取り出し、 加速度を検出する。 接着剤等を介さず、 片持ち梁 構造を形成するための段差を自由振動部 32 bと一体で形成し たこと、 また、 圧電定数 dおよび電気機械結合係数 kが最大に なるように L N単結晶板の切り出し面を選択することにより、 セ ラ ミ ッ ク圧電素子を用いた加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧 電素子感度の 2〜 3倍の高感度を得る ことができた。
(実施例 3)
本発明の第 3の実施例における加速度セ ンサー用パイ モルフ 型圧電素子の製造方法を第 3図〜第 5図を用いて詳細に説明す る。 第 3図および第 4図は製造工程の斜視図を、 第 5図はその 断面図を示している。 6 e， 6 f は L N単結晶板を、 5 a， 5 b それぞれの L N単結晶板の分極方向を示している。 図中の点線 は、 分極方向を逆にして直接接合された 2枚の L N単結晶板の 分極反転界面 Aを示している。 7 cは自由振動部 （研削部） で あり、 8 cは支持体 （非研削部） を示している。 12 cは研削に 使用する砥石を、 13 cは研削用砥石 12 cを所定の間隔に固 定するためのスぺーサ一を示している。 9は直接接合された 2枚 の L N単結晶板の主表面に形成した電極を、 1 7 a〜 1 7 f ， /JP98031
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1 6 a〜 1 6 pは切断方向を示している。
本実施例の加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子の製造方 法は、 まずはじめに 2枚の L N単結晶板 6 e， 6 f の表面を洗 浄し、 貼り合わせて加熱することにより直接接合する （ a〜 b 工程） 。 L N単結晶板の厚みは、 最終形状を考慮して決定す る。 こ こでは、 一例と して 0. 3 5漏と 0. 3 5讓の厚みの L N 単結晶板を直接接合する。 洗浄及び貼り合わせは直接接合する 対向主面にゴミ が混入しないようにク リ ーンルームで行う こと が望ま しい。 また、 直接接合する L N単結晶板の対向主面は正 分極同士とする。 セ ンサの検出感度 Sは、
S oc〉 d / £ * p 氺 L l * a
d ： 圧電定数 ε ： 誘電率 ρ ： 質量密度
L 1 ： 自由振動部長さ β ： 定数
で表される。 圧電定数 d と誘電率 ε は L N単結晶板では異方性 を有し、 切り出し面により異なる、 そのため、 d Z eが最大と なるように 1 2 0 ° 〜 1 5 0。 回転 Υ板をシ ミ ュ レー シ ョ ンに よ り予め求めて高感度な検出感度を実現している。 さ らに、 正分極面同士を対向主面と して接合することにより、 温度上昇 時の電荷の発生を解消し、 良好なセ ンサー感度の温度特性を得 られることになる。 また、 接合時に X軸あるいは ζ軸に対し、 ± 1 ° 以内のずれで接合することで接合強度を向上でき、 加速度 セ ンサ一の耐衝撃性を向上できる。 貼り合わせ後の加熱温度は 引っ張り試験の結果、 破壊のモー ドが接合界面でなく ハパルク 破壊を起こす 2 7 5 °C以上と した。 加熱の上限値に関しては、 L Nのキユ リ 一点温度である 1 1 5 0で付近まで可能である。 また、 真空または大気中での加熱とすることにより装置コス トを 低減できる。 加熱後、 貼り合わせた一対の L N単結晶板 6 e ， 6 f は完全に一体となるが、 接合面である分極反転界面 Aを図 中では点線で示している。
次に、 直接接合された L N単結晶板の片方をラ ップ加工あるい は平面研削等により、 分極反転界面までの厚み t 1を 0 . 0 5讓 になるよ う に 0 . 3删加工する （ c工程） 。 このとき、 直接接合 時に 0 . 0 5删の厚みの L N単結晶板を用いれば、 この工程は省 略する こ とができる。
次に、 もう片方の面を厚み W 1 の砥石 1 2 c を用いて研削を 行い、 セ ンサ一部となる自由振動部 7 c と非研削部からなる片 持ち梁の支持部となる支持体 8 c を一体かつ同時に形成する ( d工程） 。 研削に少なく と も 1枚以上の砥石 1 2 cを用い、 砥石幅 W 1、 砥石固定用スぺーサ一幅 W 2 は自由振動部 7 じ の 長さ、 支持体 8 c の長さを考慮して決定する。 こ こでは、 W 1を 2蘭、 W 2を 0 . 5画と し、 自由振動部 Ί c の長さを 2画、 支持 体 8 c の長さを 0 . 5麵に加工した。 また、 研削量は表面よ り 0 . 3 mmと し、 自由振動部 7 cの厚みを 0 . 1 ramとすることによ り、 分極反転界面 Aを境に直接接合された L N単結晶板の厚み を t 2， t 3を 0 . 0 5翻と互いに同じになるように研削する。 t 2 , t 3の厚みを同じにすることにより、 高感度を実現した。 次に、 研削加工した L N単結晶板の表裏面に電荷検出用の電 極 9を形成する （ e工程） 。 このとき、 電極 9は蒸着あるいは 無電解めつ きで形成し、 電極材料と しては L N単結晶板との密 着強度を考慮し C r A u、 あるいは T i Z A uが望ま しい。 次にダイ シ ングあるいはスライサーにより 1 Ί a〜 1 7 f , 1 6 a〜 1 6 pのように行列に切断を行い、 支持体 8 c、 自由 振動部 7 cを有する片持ち梁構造の加速度セ ンサー用パイモル フ型圧電素子を形成する （ f 工程） 。 切断時には少なく とも 1枚 以上の切断刃を用い、 切断時の行列の間隔はセ ンサーの形状を考 慮して決定する。 ここでは、 1 7 a〜 1 7 f の間隔を 2. 5扁、 1 6 a〜 1 6 pの間隔を 0. 5誦とすることにより、 長さ 2. 5 醒、 幅 0. 5画、 厚み 0. 4画の超小型の加速度セ ンサー用バイ モルフ型圧電素子を実現した。 自由振動部 7 cの長さを使用す る砥石 1 2 cの精度と研削及び切断時の機械精度によつて決定 するため、 従来の接着剤で支持体を固定する方法のセ ンサー 感度ばらつきが ± 2 0 %であったのに対し、 本発明では ± 3 % と大幅な高精度化を実現した。 また、 支持体形成に対する工数 においても従来 5分 Z個かかっていた接着時間が本発明では 0. 0 1分 Z個 （ 1枚砥石での研削工程のみ） と 1 5 0に大 幅に低減でき、 本発明により感度ばらつきが小さ くかつ低コス トな片持ち梁構造の加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子製 造方法を提供できる。
(実施例 4)
本発明の第 4の実施例における加速度セ ンサー用パイモルフ 型圧電素子の製造方法を第 6図〜第 8図を用いて詳細に説明す る。 第 6図および第 7図は製造工程の斜視図を、 第 8図はその 断面図を示している。 6 c， 6 dは L N単結晶板を、 5 a, 5 b はそれぞれの L N単結晶板の分極方向を示している。 図中の点 線は、 分極方向を逆にして直接接合された 2枚の L N単結晶板 T/JP98/03101
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の分極反転界面 Bを示している。 7 bは自由振動部 （研削部） であり、 8 bは支持体 （非研削部） を示している。 1 2 bは研 削に使用する砥石を、 1 3 bは研削用砥石 1 2 bを所定の間隔 に固定するためのスぺーサーを示している。 9は直接接合され た 2枚の L N単結晶板の主表面に形成した電極を、 1 4 a 〜 1 4 c , 1 5 a 〜 1 5 kは切断方向を示している。
本実施例の加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子の製造方 法は、 まずはじめに 2枚の L N単結晶板 6 c , 6 dの表面を洗 浄し、 貼り合わせて加熱するこ と によ り直接接合する （ a 〜 b 工程） 。 L N単結晶板の厚みは、 最終形状を考慮して決定す る。 ここでは、 一例と して 0. 3 5咖と 0. 3 5 mmの厚みの L N 単結晶板を直接接合する。 洗浄及び貼り合わせは直接接合する 対向主面にゴミ が混入しないようにク リー ンルー ムで行う こと が望ま しい。 また、 直接接合する L N単結晶板の対向主面は正 分極面同士とする。 セ ンサの検出感度 Sは、
S o^ d Z e ^ /O ^ L l 氺 α
d ： 圧電定数 ε ： 誘電率 ρ ： 質量密度
L 1 ： 自由振動部長さ β ： 定数
で表される。 圧電定数 d と誘電率 ε は L N単結晶板では異方性 を有し、 切り出し面により異なる、 そのため、 d Z eが最大と なるように 1 2 0 ° 〜 1 5 0 ° 回転 Y板をシ ミ ュ レー シ ョ ンに より予め求めて高感度な検出感度を実現している。 さ らに、 正 分極面同士を対向主面と して接合することにより、 温度上昇時 の電荷の発生を解消し、 良好なセ ンサー感度の温度特性を得ら れる こ とになる。 また、 接合時に X轴あるいは z軸に対し、 ± 1 ° 以内のずれで接合するこ とで接合強度を向上でき、 加速 度セ ンサーの耐衝撃性を向上できる。 貼り合わせ後の加熱温度 は引つ張り試験の結果、 破壊のモー ドが接合界面でなく バルク 破壊を起こす 2 7 5 °C以上と した。 加熱の上限値に関しては、 L Nのキユ リ 一点温度である 1 1 5 0 °C付近まで可能である。 また、 真空または大気中での加熱とすることにより装置コス トを 低減できる。 加熱後、 貼り合わせた一対の L N単結晶板 6 c , 6 dは完全に一体となるが、 接合面である分極反転界面 Bを図 中では点線で示している。
次に、 直接接合された L N単結晶板の片方をラ ップ加工あるい は平面研削等により、 分極反転界面までの厚み t 1を 0. 0 5 nun になるように 0. 3咖加工する （ c工程） 。 このとき、 直接接合 時に 0. 0 5謹の厚みの L N単結晶板を用いれば、 この工程は 省略することができる。
次に、 もう片方の面を厚み W 1の砥石 1 2 bを用いて研削を 行い、 セ ンサー部となる自由振動部 7 b と非研削部からなる両 持ち梁の支持部となる支持体 8 b を一体かつ同時に形成する ( d工程） 。 研削に少なく と も 1枚以上の砥石 1 2 bを用い、 砥石幅 W 1、 砥石固定用スぺーサ一幅 W 2は自由振動部 7 bの 長さ、 支持体 8 bの長さを考慮して決定する。 こ こでは、 W 1 を 2 ram、 W 2を 0. 5蘭と し、 自由振動部 7 bの長さを 2腿 、 支持体 8 bの長さを 0. 5蘭に加工した。 また、 研削量は表面 より 0. 3咖と し、 自由振動部 7 bの厚みを 0. 1 mmとすること により、 分極反転界面 Bを境に直接接合された L N単結晶板の 厚み t 2， t 3を 0. 0 5議と互いに同じになるよう に研削す る。 t 2， t 3の厚みを同じにすることにより、 高感度を実現 した。
次に、 研削加工した L N単結晶板の表裏面に電荷検出用の電 極 9を形成する （ e工程） 。 このとき、 電極 9は蒸着あるいは 無電解めつきで形成し、 電極材料と しては L N単結晶板との密 着強度を考慮し C rノ A u、 あるいは T i /"A uが望ま しい。 次にダイ シ ングあるいはスライサ一により 1 4 a〜 1 4 c , 1 5 a ~ 1 5 kのように行列に切断を行い、 支持体 8 b、 自由 振動部 7 bを有する両持ち梁構造の加速度セ ンサー用パイ モル フ型圧電素子を形成する （ f 工程） 。 切断時には少なく とも 1枚 以上の切断刃を用い、 切断時の行列の間隔はセ ンサーの形状を 考慮して決定する。 ここでは、 14a~14c0間隔を 2. 5画、 1 5 a 〜 1 5 kの間隔を 0. 5麵とする ことにより、 長さ 2. 5 mm、 幅 0. 5删、 厚み 0. 4画 の超小型の加速度セ ンサー用パイ モルフ 型圧電素子を実現した。 自由振動部 7 bの長さを使用する砥石 1 2 bの精度と研削及び切断時の機械精度によつて決定するた め、 従来の接着剤で支持体を固定する方法のセ ンサー感度ばら つきが ± 2 0 %であったのに対し、 本発明では ± 3 %と大幅な 高精度化を実現した。 また、 支持体形成に対する工数において も従来 5分/個かかっていた接着時間が本発明では 0. 0 1分 /個 （ 1枚砥石での研削工程のみ） と 1 5 0に大幅に低減で き、 本発明により感度ばらつきが小さ く かつ低コス トな両持ち 梁構造の加速度セ ンサー用パイモルフ型圧電素子製造方法を提 供できる。
(実施例 5 ) 本発明の第 5の実施例における加速度セ ンサー用パイモルフ 型圧電素子の製造方法を第 9図〜第 1 1図を用いて詳細に説明 する。 第 9図および第 1 0図は製造工程の斜視図を、 第 1 1図 はその断面図を示している。 6 a , 6 bは L N単結晶板を、 5 a , 5 b はそれぞれの L N単結晶板の分極方向を示してい る。 図中の点線は、 分極方向を逆にして直接接合された 2枚の L N単結晶板の分極反転界面 Cを示している。 7 aは自由振動 部 （研削部） であり、 8 a は支持体 （非研削部） を示してい る。 1 2 aは研削に使用する砥石を、 1 3 aは研削用砥石 1 2 a を所定の間隔に固定するためのスぺーサーを示している。 9は 直接接合された 2枚の L N単結晶板の主表面に形成した電極 を、 1 0 a〜 ： L O f , 1 1 a〜 ： L l kは切断方向を示してい る。
本実施例の加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子の製造方 法は、 まずはじめに 2枚の L N単結晶板 6 a， 6 bの表面を洗 浄し、 貼り合わせて加熱することにより直接接合する （ a〜 b 工程） 。 L N単結晶板の厚みは、 最終形状を考慮して決定す る。 こ こでは、 一例と して 0. 3 5 πιπιと 0. 3 5画の厚みの L N 単結晶板を直接接合する。 洗浄及び貼り合わせは直接接合する 対向主面にゴミ が混入しないようにク リ ー ンルームで行う こと が望ま しい。 また、 直接接合する L N単結晶板 6 a , 6 b の対 向主面は正分極面同士とする。 セ ンサの検出感度 Sは、
S oc〉 d < £ 氺 / o * L l * a:
d ： 圧電定数 ε ： 誘電率 ρ ： 質量密度
L 1 ： 自由振動部長さ β ： 定数 CT/JP98/03101
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で表される。 圧電定数 d と誘電率 εは L N単結晶板では異方性 を有し、 切り出し面により異なる、 そのため、 が最大と なるように 1 2 0。 〜 1 5 0 ° 回転 Y板をシ ミ ュ レー シ ョ ンに より予め求めて高感度な検出感度を実現している。 さ らに、 正 分極面同士を対向主面と して接合することにより、 温度上昇時 の電荷の発生を解消し、 良好なセ ンサー感度の温度特性を得ら れることになる。 さらに、 接合時に X軸あるいは z軸に対し、 ± 1 ° 以内のずれで接合する ことで接合強度を向上でき、 加速 度セ ンサ一の耐衝撃性を向上できる。 貼り合わせ後の加熱温度 は引つ張り試験の結果、 破壊のモー ドが接合界面でなく パルク 破壊を起こす 2 7 5 °C以上と した。 加熱の上限値に関しては、 L Nのキユ リ 一点温度である 1 1 5 0 °C付近まで可能である。
また、 真空または大気中での加熱とすることにより装置コ ス トを 低減できる。 加熱後、 貼り合わせた一対の L N単結晶板 6 a , 6 bは完全に一体となるが、 接合面である分極反転界面 Cを図 中では点線で示している。
次に、 直接接合された L N単結晶板の片方をラ ップ加工あるい は平面研削等により、 分極反転界面までの厚み t 1を 0 . 0 5 画 になるよう に 0 . 3 麵加工する （ c工程） 。 このとき、 直接接 合時に 0 . 0 5 咖の厚みの L N単結晶板を用いれば、 この工程 は省略することができる。
次に、 もう片方の面を厚み W 1の砥石 1 2 aを用いて研削を 行い、 セ ンサ一部となる自由振動部 7 a と非研削部からなる片 持ち梁の支持部となる支持体 8 a を一体かつ同時に形成する ( d工程） 。 研削に少なく と も 1枚以上の砥石 1 3 aを用い、 CT/JP98/03101
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砥石幅 W 1、 砥石固定用スぺーサ一幅 W 2は自由振動部 7 aの 長さ、 支持体 8 aの長さを考慮して決定する。 こ こでは、 W1を 4. 0画、 W2を 1. 0誦とし、 自由振動部 7 aの長さを 4. 0翻、 支持体 8 aの長さを 1. 0咖に加工した。 また、 研削量は表面 より 0. 3咖と し、 自由振動部 7 aの厚みを 0. 1誦とすること によ り、 分極反転界面 Cを境に直接接合された L N単結晶板の 厚み t 2 , t 3を 0. 0 5麵と互いに同じになるよう に研削す る。 t 2， t 3の厚みを同じにするこ とによ り、 高感度を実現 した。
次に、 研削加工した L N単結晶板の表裏面に電荷検出用の電 極 9を形成する （ e工程） 。 このとき、 電極 9は蒸着あるいは 無電解めつきで形成し、 電極材料と しては L N単結晶板との密 着強度を考慮し C r Z A u、 あるいは T i A uが望ま しい。
次に ダイ シ ングあるいはス ラ イ サーによ り 1 0 a〜 1 0 f ， 1 1 a〜 1 1 kのよ う に行列に切断を行い、 支持体 8 a、 自由 振動部 7 aを有する片持ち梁構造の加速度セ ンサー用パイ モル フ型圧電素子を形成する （〖工程） 。 切断時には少なく とも 1枚 以上の切断刃を用い、 切断時の行列の間隔はセ ンサ一の形状を考 慮して決定する。 こ こでは、 1 0 a〜 1 0 f の間隔を 2. 5 min、 1 1 a〜 I l kの間隔を 0. 5 ramとすることにより、 長さ 2. 5腦、 幅 0. 5議 、 厚み 0. 4 mmの超小型の加速度セ ンサー用パイ モル フ型圧電素子を実現した。 自由振動部 7 aの長さは使用する砥 石 1 2 aの精度と研削及び切断時の機械精度によって決定する ため、 従来の接着剤で支持体を固定する方法のセ ンサー感度ば らつきが ± 2 0 %であったのに対し、 本発明では ± 3 %と大幅 な高精度化を実現した。 また、 こ こでは、 自由振動部 7 aを 形成する研削用砥石 1 2 a に実施例 3 の倍の厚みである 4讓 の砥石を用いるこ と によ り、 研削加工時間を実施例 3 の 1 / 2 と している。 そのため、 支持体形成に対する工数が本発明で は 0 . 0 0 5分/個 （ 1枚砥石での研削工程のみ） と従来の 1 / 1 0 0に大幅に低減でき、 本発明により感度ばらつきが小 さ く かつ低コ ス トな片持ち梁構造の加速度セ ンサー用パイモル フ型圧電素子製造方法を提供できる。 産業上の利用可能性
以上のように、 本発明は一対の圧電単結晶板を直接接合によ り対面接合してなる加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子で あって、 前記一対の圧電単結晶板の少なく と も一方の一部を研 削して設けられた自由振動部と、 前記自由振動部の片側または 両側に一体に設けられた非研削部よりなる支持体とを有する構成 であり、 また一対の圧電単結晶板を対面接合し加熱するこ とによ り直接接合する第一の工程と、 直接接合された前記一対の圧電 単結晶板の少なく とも一方を行あるいは列に所定の間隔及び深さ に研削して自由振動部を形成する第二の工程と、 研削された前記 圧電単結晶板の主表面に電極を形成する第三の工程と、 研削に より形成された前記圧電単結晶板の自由振動部および非研削部 を所定の間隔に行列に切断するこ と により支持体を形成する第 四の工程を有する製造方法であり、 これにより小型 ， 高感度で 感度ばらつきが小さ く かつ低コス トな加速度セ ンサー用パイモ ルフ型圧電素子とその製造方法を提供する ことを可能とする。

Claims

請 求 の 範 囲 一対の圧電単結晶板を直接接合により対面接合してなる加 速度セ ンサ—用パイ モルフ型圧電素子であつて、 前記一対 の圧電単結晶板の少なく と も一方の一部を研削して設けら れた自由振動部と、 前記自由振動部の片側または両側に一 体に設けられた非研削部よりなる支持体とを有する加速度 セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子。
圧電単結晶板がニオブ酸リ チウム単結晶からなり、 対向主 面を 1 2 0 ° 〜1 5 0 ° 回転 Y板切り出し面と したことを 特徴とする請求の範囲第 1項記載の加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子。
圧電単結晶板の対向主面が正分極面であることを特徴とす る請求の範囲第 1項記載の加速度セ ンサー用パイ モルフ型 圧電素子。
自由振動部の直接接合された一対の単結晶板の互いの厚み が同じであることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の加 速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子。
—対の圧電単結晶板を対面接合し加熱するこ とによ り直接 接合する第一の工程と、 直接接合された前記一対の圧電単 結晶板の少なく と も一方を行あるいは列に所定の間隔及び 深さに研削して自由振動部を形成する第二の工程と、 研削 された前記圧電単結晶板の主表面に電極を形成する第三の 工程と、 研削により形成された前記圧電単結晶板の自由振 動部および非研削部を所定の間隔に行列に切断する ことに より支持体を形成する第四の工程を有することを特徴とす る加速度セ ンサー用パイモルフ型圧電素子の製造方法。
6 . —対の圧電単結晶板の正分極面を直接接合することを特徴 とする請求の範囲第 5項記載の加速度セ ンサー用パイモル フ型圧電素子の製造方法。
7 . 一対の圧電単結晶板を対面接合し加熱する温度が 2 7 5 °C 以上であることを特徴とする請求の範囲第 5項記載の加速 度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子の製造方法。
8 . 研削により対向する一対の圧電単結晶板の厚みを同じ厚み と して自由振動部を形成することを特徴とする請求の範囲 第 5項記載の加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子の製 造方法。
9 . 研削された圧電単結晶板上の電極を無電解めつきあるいは 蒸着により形成することを特徴とする請求の範囲第 5項記 載の加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素子の製造方法。
10. 第四の工程で行われる切断に切断刃を用いると と もに、 前 記切断刃が少なく と も 1枚以上所定の間隔で同軸上に固定 された切断刃群からなることを特徴とする請求の範囲第 5 項記載の加速度セ ンサー用バイモルフ型圧電素子の製造方 法。
11. 第二の工程で用いられる研削用砥石が少なく と も 1枚以上 同軸上に固定された砥石群からなることを特徴とする請求 の範囲第 5項記載の加速度セ ンサー用パイ モルフ型圧電素 子の製造方法。
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